Ett teoretiskt mineralfysiskt tillvägagångssätt baserad på ab initio-metoderna antogs för att bestämma viskositeten hos hexagonal, tätpackat järn vid de extrema tryck och temperaturer som motsvarar jordens inre kärna. Resultaten visar sig förneka geofysiska observationer av stora fluktuationer i den inre kärnans rotationshastighet. Den erhållna viskositeten utesluter också översättning av den inre kärnan och ger stöd för att dynamiken hos den inre kärnan kan styras av konvektion i fast tillstånd.

Jordens inre kärna, gömd 5150 km under våra fötter, består huvudsakligen av fast järn och utsätts för tryck mellan 329 och 364 GPa (vilket är ~3,3 till 3,6 miljoner gånger det atmosfäriska trycket) och temperaturer på ~5000 till ~6000 K (bild 1). Seismologiska observationer har tidigare visat att hastigheten hos seismiska vågor som produceras av jordbävningar beror starkt på deras riktning när de färdas genom den inre kärnan, ett fenomen som kallas "seismisk anisotropi". Detta beror på inriktningen av järnkristallerna, något som kan orsakas av deformation inuti den inre kärnan. Mer specifika variationer i seismisk anisotropi mellan det östra och västra halvklotet av den inre kärnan har också rapporterats. Andra seismiska studier tyder dessutom på "distinkta fluktuationer i den inre kärnans rotationshastighet" med avseende på den för jordskorpan och manteln. Även om tidigare geodynamiska modelleringar förutspår att den halvsfäriska asymmetrin hos den seismiska anisotropistrukturen kan förklaras av "en translationell rörelse av den inre kärnan" och att variationer i längden på en dag kan förklaras av gravitationskopplingen mellan manteln och en svag inre kärna, orsakerna och mekanismerna för dessa gåtfulla egenskaper förblir oklara eftersom deras modellering bygger på den dåligt begränsade "viskösa styrkan" hos järn vid de extrema förhållandena i jordens centrum.

Materialens viskositet beror på hur järnkristaller genomgår plastisk deformation som svar på en mekanisk påkänning, och deformationsmekanismer som kallas "krypning" förväntas i allmänhet under höga temperaturer och små spänningsförhållanden (bild 2). Krypning av fasta kristaller tillgodoses i allmänhet av rörelsen av ofullkomliga arrangemang av atomer i kristallstrukturerna som kallas "gitterdefekter" och är särskilt begränsad av "atomdiffusion" under förhållandena i den inre kärnan. Sådana förhållanden medför tekniska svårigheter för laboratorieexperiment som gör mätningar av den inre kärnans viskositet för närvarande omöjliga. Istället, Dr Sebastian Ritterbex, en postdoktorand forskare, och Prof. Taku Tsuchiya från Geodynamics Research Center, Ehime University, tillämpade datorsimuleringar i atomskala baserade på kvantmekanikteori, kallade "ab initio-metoderna, "för att kvantifiera atomär diffusion i hexagonalt tätpackat (hcp) järn, den mest sannolika fasen av järn stabil i den inre kärnan (bild 1).

Detta teoretiska mineralfysiska tillvägagångssätt kan beräkna elektroniska egenskaper och kemiska bindningar mycket exakt och är därför ganska kraftfull för att undersöka materialegenskaper under extrema förhållanden som är svåra att hantera med experiment. I den här studien, Tekniken användes för att beräkna järnsjälvdiffusion genom energetik för bildning och migrering av punktdefekter. Resultaten tillämpas på makroskopiska modeller av intrakristallin plasticitet för att beräkna det hastighetsbegränsande krypbeteendet för hcp-järn numeriskt. Modelleringen ger bevis på att viskositeten hos hcp-järn är lägre än vad som antogs i de tidigare geofysiska modelleringarna och bestäms av transporten av skjuvning genom kristallgittret, en plastisk deformationsmekanism känd som "dislokationskrypning" (bild 2), vilket kan leda till bildandet av kristallografiska föredragna orienteringar. Detta antyder att plastiskt flöde av hcp-järn verkligen kan bidra till kristallinriktningen och därmed den seismiska anisotropin i den inre kärnan.

Resultaten kastar nytt ljus över den inre kärnans gåtfulla egenskaper. Forskarna visar att den låga viskositeten hos hcp-järn som härrör från den teoretiska mineralfysiska metoden är förenlig med en stark koppling mellan den inre kärnan och manteln kompatibel med geofysiska observationer av små fluktuationer i den inre kärnans rotationshastighet. Resultaten förutspår dessutom att den inre kärnan är för svag för att genomgå translationell rörelse, vilket betyder att den hemisfäriska asymmetriska strukturen sannolikt har en annan, ännu okänd, ursprung. Istället, mekaniska spänningar på tiotals Pa är tillräckliga för att deformera hcp-järn genom dislokationskrypning vid extremt låga töjningshastigheter, jämförbar med de kandidatkrafter som kan driva konvektion av den inre kärnan. Den associerade viskositeten är inte en konstant utan beror istället på den mekaniska spänningen som appliceras på den inre kärnan, ett beteende som kallas "icke-newtonsk reologi". Detta olinjära deformationsbeteende förväntas därför styra dynamiken i jordens inre kärna.

I framtiden, mer kvantitativa modelleringar med de viskösa egenskaperna hos hcp-järn som erhållits i denna studie skulle kunna förbättra förståelsen av jordens inre kärna.

Studien publiceras i Vetenskapliga rapporter .